量子論分析課件(PPT 85頁)

1、量子論1第1頁，共85頁。21 開創(chuàng)物理學新時代的“量子”概念的提出 一、背景黑體輻射實驗：用經(jīng)典理論無法解釋實驗結果導致量子物理的誕生。什么是黑體輻射？為什么要研究它？ 熱輻射：物體內(nèi)的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象。 第2頁，共85頁。3 不同溫度下，輻射能量集中的波長范圍不同。 600，物體的熱輻射波長在紅外和遠紅外波段。 溫度的升高，物體熱輻射的能量逐漸增強，輻射波長趨向短波段。 600700，物體開始呈現(xiàn)暗紅色，這表明輻射波段開始進入可見光區(qū)域。 物體溫度的繼續(xù)升高，輻射的波長進一步向短波方向移動，物體變得鮮紅，甚至白熱。 第3頁，共85頁。4 一個密閉的空腔上開一個小孔，

2、則此小孔就可近似地看成為黑體。只吸收，不反射。 研究它的輻射本領的好處是與空腔材料無關。黑體輻射黑體是能100吸收投射到它上面的電磁輻射而沒有任何反射的物體。第4頁，共85頁。5黑體輻射本領與輻射波長的關系 維恩位移定律瑞利-金斯公式 波長較小時與實驗符合很好，大時則不好。 波長較大時能與實驗很好符合，小時則根本不對。 第5頁，共85頁。6二、普朗克 普朗克將兩個公式綜合起來，湊出一個與整個實驗曲線符合的經(jīng)驗公式，稱為普朗克公式。其中，h是普朗克常數(shù)，c是光速，k是玻爾茲曼常數(shù)。普朗克當 很小， 時 ， 此式近似為維恩公式 第6頁，共85頁。7 當 很大； 時，此式近似為瑞利-金斯公式黑體輻射

3、第7頁，共85頁。8經(jīng)過兩個月奮斗，于1900年10月19日，在德國物理學會會議上報告了他在“能量量子化”的假設下，從理論上嚴格推導出的普朗克公式。 “這一發(fā)現(xiàn)成為20世紀整個物理研究的基礎，從那時起，幾乎完全決定了物理學的發(fā)展”。 愛因斯坦 第8頁，共85頁。9 普朗克的基本假設： 在輻射場中有大量包含各種頻率的諧振子，一個頻率為 的諧振子的能量不能是連續(xù)的，只能是能量元（又稱能量子） 的整數(shù)倍，即 ，其中n只能取正整數(shù)。能量元 ，h為普朗克常數(shù)。這就是著名的“能量量子化”假設。 與經(jīng)典理論是完全相抵觸在此假設下，大量諧振子體系與輻射場之間的能量交換必須也是量子化的。由此導出了普朗克公式。第

4、9頁，共85頁。10 三、量子觀念在“非難”中得到發(fā)展 1“能量子”假定遭到懷疑 普朗克引入了“能量子”的假設，標志著量子物理學的誕生，具有劃時代的意義。但是由于這個假設對經(jīng)典物理學致命的打擊，所以他同時代的那些物理學家對這一觀念都表示疑惑不解，甚至懷疑。洛倫茲說： “關于輻射量子問題的討論使科學家們都陷在死胡同里了?！?無人問津第10頁，共85頁。11 普朗克本人也由于受傳統(tǒng)的經(jīng)典觀念影響太深，對自己提出的“能量子”思想違反了經(jīng)典的連續(xù)性概念而煩惱和后悔。并一直試圖用連續(xù)性代替不連續(xù)性，回到經(jīng)典范疇。經(jīng)過十多年徒勞的努力后，他才相信能量子假設是正確的，作用量子h反映了新理論的本質。 年僅21

5、歲的愛因斯坦，對于新生“量子嬰兒”，表現(xiàn)出熱情支持的態(tài)度。并于1905年提出了“光量子”假設，把量子看成是輻射粒子，賦予量子的實在性，并成功地解釋了光電效應實驗，捍衛(wèi)和發(fā)展了量子論，不愧為量子物理的一代先驅。 第11頁，共85頁。122 第一個鉆到原子中心的人盧瑟福 在介紹第三位量子物理的先驅者玻爾的工作以前，有必要先介紹盧瑟福，不僅因為盧瑟福的工作同樣是給了經(jīng)典物理一個致命的打擊，而且玻爾的工作正是建立在他的工作基礎上的。第12頁，共85頁。13 一、湯姆孫的原子模型 電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆孫本人所提出的一種原子模型： 原子的正電荷是均勻分布在整個原子球體內(nèi)，而電子是一個個嵌在其中，并保持整個原子

6、的電中性。當時這種模型被稱之為“葡萄干布丁模型”。 1904年又作進一步假設： 原子中電子是分布在一個個同心 圓環(huán)上，作著旋轉，每個環(huán)中 只能包含 有限個電子。這是閃光點！這個假設可解釋元素周期表。葡萄干布丁模型第13頁，共85頁。14盧瑟福盧瑟福發(fā)現(xiàn)了放射性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了原子核式結構，首此實現(xiàn)了人工核反應，預言了中子等。被譽為“核物理之父”。 粒子散射實驗 盧瑟福有意讓他的研究生馬斯登尋找有否 粒子從金屬表面反射回來。后來馬斯登和蓋革用 粒子轟擊厚度為0.4m的金箔，發(fā)現(xiàn)有1/20000的概率被反射回來，發(fā)生大角度散射這是第一個有科學依據(jù)的原子模型的起點。第14頁，共85頁。15用葡萄干布丁模

7、型是無法解釋 粒子被反射回來的現(xiàn)象。盧瑟福提出原子的“核式結構模型”：所有正電荷（Ze）和原子質量都集中在原子中心一個非常小的體積內(nèi)，這就是原子核。原子中的電子繞核運動,靠靜電引力把整個原子結合在一起。并且通過理論推導給出了著名的“盧瑟福散射公式”,所計算出的 粒子散射概率與實驗事實完全相符。 第15頁，共85頁。16 但是任何重大發(fā)現(xiàn)的背后，往往又孕育著新的問題，甚至是一種災難。盧瑟福模型也不例外。主要問題是無法解釋原子的穩(wěn)定性和原子有一定的大小。因為按照經(jīng)典電磁學理論，當帶電粒子作加速運動時，會發(fā)射電磁波，放出能量。因此，繞核運動的電子輻射而損失能量最后導致落到原子核上。（這個過程非常短暫

8、。） 這樣的原子就都是不穩(wěn)定的了。后果不堪設想！有人開玩笑說，物理學家 不知道為什么自己住的樓 沒有倒塌掉！ +第16頁，共85頁。17 面對這樣的困難，盧瑟福還是勇敢地宣布了他的原子模型: “關于所提的原子穩(wěn)定性問題，現(xiàn)階段尚未考慮進行研究但是，我們的科學事業(yè)除了今天還有明天！” “顯然，原子的穩(wěn)定性與原子精細結構有關，并且與其中帶電粒子的運動有關?！?第17頁，共85頁。18 四、盧瑟福預言核內(nèi)存在“中子” 中子發(fā)現(xiàn)的重大意義 在發(fā)現(xiàn)原子核后，科學家就在思考原子核的組成。 在1920年以前，普遍認為是由質子（氫核）和電子組成，當時電子和質子是人們僅知的兩種基本粒子。隨著一些元素的同位素的發(fā)

9、現(xiàn)，提出了一個問題，即為什么這些同位素的核電荷Ze相同，但質量不同，且非常接近質子質量的整數(shù)倍？第18頁，共85頁。19 盧瑟福以他豐富的科學想象力提出了著名的中子假設： “在某些情況下，也許由一個電子更加緊密地與H（氫）核結合在一起，組成一個中性的雙子，這樣的原子也許有很新穎的特性?！?“要解釋重元素的組成，這種原子的存在，看來是必需的?！?在1924年后，這種中性雙子被定名為中子。 第19頁，共85頁。20 在中子的發(fā)現(xiàn)上，約里奧-居里夫婦在舊的傳統(tǒng)觀念的影響下，錯失了機會。而相信盧瑟福的預言，一心在尋找中子的查德維克抓住了機遇，發(fā)現(xiàn)了中子，榮獲諾貝爾物理學獎。查德威克 第20頁，共85頁

10、。21 盧瑟福 “關于中子”的預言，為后來他的學生查德威克發(fā)現(xiàn)中子起了很關鍵的作用。 查德威克是盧瑟福的學生，他設計實驗發(fā)現(xiàn)了中子，并用云室測定了中子的質量。1935年，在諾貝爾獎評獎委員會上，有人認為應由約里奧-居里夫婦與查德威克共享這一年的獎金。盧瑟福說，給查德威克吧，約里奧-居里夫婦那么能干，他們以后還有機會。就在同一年，化學的諾貝爾獎評委員會把1935年諾貝爾化學獎授予約里奧-居里夫婦，表彰他們發(fā)現(xiàn)了人工放射性。 第21頁，共85頁。22 中子的發(fā)現(xiàn)是核物理發(fā)展史上的一個重大轉折點，使人們對原子核的研究進入一個嶄新階段。 由于中子不帶電，容易進入核內(nèi)，所以用它作為研究原子核的炮彈，比帶

11、電的粒子威力大得多，因此中子的發(fā)現(xiàn)也為核能的利用打開了大門。第22頁，共85頁。233 和諧的樂章玻爾模型 一、行星模型的鑒賞家誰是盧瑟福瀕臨失敗的原子模型的救星呢？不是他自己，而是尼爾斯玻爾。后來，史學家問過玻爾：“當時是不是只有你一個人感興趣呢？”玻爾回答說： “是的，不過你們知道，我主要不是感興趣，我只是相信它?！?第23頁，共85頁。24玻爾模型及其重新思維 1玻爾模型的基本假設 玻爾的目的：要解決盧瑟福原子模型的穩(wěn)定性問題及給出原子大小。在他所發(fā)表的劃時代的關于原子結構的論文中首先對氫原子提出了玻爾模型的兩個基本假定： （1）定態(tài)條件假定 作繞核圓周運動的電子只能處在一些分立的允許軌

12、道上運動，且不存在能量輻射。也就是說電子只允許在一些有確定分立半徑和分立能量大小的“定態(tài)”軌道上運動。此假定使原子可以保持穩(wěn)定性第24頁，共85頁。25 （2）頻率條件假定 當電子從一定態(tài)能量為 的允許軌道躍遷到另一定態(tài)能量為 的允許軌道時，會以電磁波形式 釋放能量（當 ） 吸收能量（當 ）若 ，則所放出的電磁波所相應的光子能量為第25頁，共85頁。26 討論與思考 為什么玻爾說：“當我一眼看到巴耳末公式時，一切都在我眼前豁然開朗了？” 上述兩個假定反映了玻爾的創(chuàng)新思維，其中包含了3個第一 ：第一個將量子化概念用到了原子結構第一個將原子光譜與原子結構定量聯(lián)系起來第一個將量子化、原子結構與原子光

13、譜三者和諧地統(tǒng)一到他的原子模型上第26頁，共85頁。27玻爾模型的實驗驗證 除了光譜實驗能證明玻爾模型正確外，法國科學家夫蘭克和赫茲正是用電子轟擊多電子汞原子，成功證明了原子內(nèi)部能量的量子化。這是獨立于光譜實驗的另一種方法，極其重要。夫蘭克赫茲第27頁，共85頁。28玻爾模型的貢獻與困難 1貢獻：給出了量子化的原子結構，成功地給出了對氫原子結構的定量描述，揭開了30年來令人費解的氫光譜之謎。 2困難：在玻爾理論中卻同時存在著兩種不協(xié)調的概念經(jīng)典的連續(xù)性和量子的不連續(xù)性。 面對這些困難，人們期待著新的物理思想的誕生。 哥本哈根精神 哥本哈根精神是玻爾研究所所倡導的，也是玻爾研究所能成為世界著名的

14、“物理學界的朝拜圣地”，為近代物理發(fā)展做出一系列重大貢獻的關鍵所在。 第28頁，共85頁。294 德布羅意與物質波 一、物質波提出的背景 1玻爾模型遇到根本困難，亟需突破 2愛因斯坦的光量子論及光的波粒二象性思想得到國際科學界的承認 德布羅意是愛因斯坦的狂熱崇拜者，認為他是“現(xiàn)代科學的牛頓”，他領悟了愛因斯坦深刻的思維方式，體會到“愛因斯坦的光的波粒二重性乃是遍及整個物理世界的一種絕對普遍現(xiàn)象”，并且勇敢地發(fā)展了愛因斯坦的思想。 3在他哥哥的影響下，德布羅意本人對量子物理研究感興趣，有相當好的研究基礎。他從攻讀歷史轉向學習物理，研究生期間他把量子理論研究作為他的博士論文方向。他發(fā)誓：“要盡我所

15、能去理解那個神秘的量子。” 第29頁，共85頁。30 二、物質波的提出 1創(chuàng)新思維 德布羅意把愛因斯坦所提出的光的“波粒二象性”推廣到了所有物質粒子，從而朝創(chuàng)造描寫微觀粒子運動的新的力學量子力學邁進了革命性的一步。 他認為輻射與粒子應是對稱的、平等的，輻射有波粒二象性，粒子同樣應有波粒二象性，即對微粒也賦予它們波性（周期性）。 第30頁，共85頁。31 德布羅意在1929年領諾貝爾獎時曾回憶當時提出物質波時的想法：“在原子中電子穩(wěn)定運動的確立，引入了整數(shù)；到目前為止，在物理學中涉及整數(shù)現(xiàn)象只有干涉和振動的簡正模式，這一事實使我產(chǎn)生了這樣的想法：不能把電子簡單地視為微粒，必須同時賦予它們以周期性

16、”。也就是說，必須要賦予電子波性。為此，他認為在玻爾模型中這些電子軌道的周長應該是電子波長的整數(shù)倍（駐波要求），也就是德布羅意把玻爾提出的定態(tài)與駐波聯(lián)系起來了。 第31頁，共85頁。32 2著名的德布羅意關系式 1924年11月，德布羅意正式提出了所有物質粒子都具有波粒二重性的假設，他認為“任何物體伴隨以波，而且不可能將物體的運動與波的轉播分開”；并且從理論上導出了粒子動量p與伴隨著的波的波長之間的關系式： 這就是著名的德布羅意關系式。 例如動能Ek=10eV的電子，其德布羅意波長 第32頁，共85頁。33 上述計算中，已用了組合常數(shù)hc=1240eVnm。 可見這個電子的波長已與原子半徑相仿

17、，所以在原子、分子那樣的微觀世界中，電子的波長就顯示出來了。動能越大，電子波長就越短，科學家正是利用短波長的高能電子束代替可見光，制成了電子顯微鏡。 第33頁，共85頁。34 20世紀30年代，電子顯微鏡誕生了。電子顯微鏡是利用高速運動的電子束代替光線來觀察物體的細微結構的，放大倍數(shù)比光學顯微鏡高許多，可以達到幾十萬倍。電子顯微鏡大大開闊了人們的視野，使人們看到了細胞更細微的結構電子顯微鏡第34頁，共85頁。35 美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員正在以創(chuàng)記錄的分辨率清楚地觀察原子世界，因為他們研究出的電子顯微鏡能夠能分辨出硅晶體的單個、啞鈴形狀的原子。 電子顯微鏡下的原子世界 能看清原子的電子顯

18、微鏡 第35頁，共85頁。36物質波概念的提出令人驚訝 在論文答辯時，物質波概念的新穎，使答辯委員會不知如何評價，但也不敢輕易否定。 為此，他的導師郎之萬將論文副本寄給了愛因斯坦。 對德布羅意的論文，愛因斯坦大加贊賞。在愛因斯坦的大力推薦下，德布羅意的論文順利通過了。第36頁，共85頁。37 對于德布羅意的物質波思想，愛因斯坦評價說： “厚幕的一角被德布羅意揭開了。M.德布羅意的弟弟做了一項很有意義的工作我相信，這是對物理之謎中最棘手的一個謎投下了第一道微弱的光芒?！?愛因斯坦第37頁，共85頁。38四、電子波動性的實驗驗證 在論文答辯會上，針對物質波思想，有人問德布羅意：有沒有辦法驗證這一觀

19、點？他回答：“通過電子在晶體上的衍射實驗，應當有可能觀察到這種假定的波動的效應?！?他哥哥實驗室中的一位實驗物理學家道維勒試圖用陰極射線管做這個實驗，沒有成功！放棄了。 道維勒為什么沒有做成呢？ 后來分析是電子的速度不夠大，作為靶子的云母晶體吸收了空中游離的電荷。 如果改變實驗條件認真做下去，是會成功的。 3年后的1927年，美國物理學家戴維孫和英國物理學家G.P.湯姆孫（J.J.湯姆孫的兒子）分別發(fā)現(xiàn)了晶體的電子衍射，完全證實了電子的波性。 第38頁，共85頁。39戴維孫 G.P.湯姆孫 電子在晶體中衍射實驗示意圖第39頁，共85頁。40戴維孫（左）手持電子衍射管，右為他的助手革末 戴維孫所

20、用的電子衍射管 第40頁，共85頁。41電子雙縫干涉實驗圖樣 1961年德國科學家約恩遜首次獲得電子的雙縫干涉圖樣，明確顯示了電子的波動性，被列為世界十大最美麗的實驗之榜首 第41頁，共85頁。425 描寫物質波動的方程及波函數(shù)的統(tǒng)計解釋 一、薛定諤波動方程 德布羅意提出了物質波的概念，可是沒告訴大家這種波滿足什么樣的運動方程，是如何隨時間變化的。 電子的波動性與粒子性又是如何完美統(tǒng)一起來的？第42頁，共85頁。431926年，薛定諤完成了波動方程的建立 稱薛定諤方程 。薛定諤第43頁，共85頁。44 請注意：在這里量子化能級是薛定諤方程的自然結果，不必去規(guī)定某些量子化條件了?？上М敃r薛定諤自

21、己也沒有認識到他所提出的波函數(shù)的真正意義。 薛定諤：“要是必須承認這該死的量子躍遷，我真后悔卷入到量子理論中來?！辈枺骸暗牵覀兇蠹覅s全都感謝你，你的波動力學代表了一次巨大的進步?！?1926年10月，于哥本哈根 第44頁，共85頁。45 對薛定諤有必要提一下他對生命科學研究的貢獻： 1944年，薛定諤出版了生命是什么？活細胞的物理學觀一書。書中薛定諤試圖用熱力學、量子力學和化學理論來解釋生命的本性，引進了非周期性晶體、負熵、遺傳密碼、量子躍遷式的突變等概念。這本書使許多青年物理學家開始注意生命科學中提出的問題，引導人們用物理學、化學方法去研究生命的本性。正是 在這本書的啟發(fā)下，后來克里克

22、和 沃森發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結構，將生命 科學研究深入到分子水平。使薛定諤 成了分子生物學的先驅。生命是什么？ 第45頁，共85頁。46生命是什么？在上個世紀的生物學革命中的作用確實非同凡響。 后來，克里克和沃森發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構。 DNA雙螺旋結構 第46頁，共85頁。47 二、波函數(shù)的統(tǒng)計解釋 表示電子于t 時刻在空間x點被測到的概率密度。 直到1927年，玻恩才對波函數(shù)作出了正確的統(tǒng)計解釋，并且利用統(tǒng)計性把波與粒子兩個截然不同的經(jīng)典概念完美地聯(lián)系了起來。 1愛因斯坦觀點的啟發(fā) “愛因斯坦的觀點又一次引導了我。他曾經(jīng)把光波解釋為光子出現(xiàn)的概率波，從而使離子和波的二象性成為可以理解的。這個觀

23、點馬上可以推廣到波函數(shù)上：必須是電子（或者其他粒子）的概率波?！?玻恩的我這一代的物理學 第47頁，共85頁。48 2玻恩的統(tǒng)計解釋 類似愛因斯坦把光波振幅的平方（ ）解釋為“光子密度的幾率量度”，玻恩認為描寫電子運動的波函數(shù)的 模（ 是復數(shù)）的平方 表示電子于t 時刻在空間x點被測到的概率密度。這樣就自然地把粒子性和波性統(tǒng)一起來。請注意：波函數(shù) 本身沒有直接可觀察的物理意義，只有 才表示粒子在空間被測到的概率密度。第48頁，共85頁。49 三、對量子力學做出重要貢獻的其他物理學家 “物理學的原理有它的結構，這個結構有它的美和妙的地方。而各個物理學工作者，對于這個結構的不同的美和妙的地方，有不

24、同的感受。因為大家有不同的感受，所以每位工作者就會發(fā)展他自己獨特的研究方向和研究方法，也就是說他會形成他自己的風格。” 楊振寧美與物理學 第49頁，共85頁。50 讓我們先來認識一位物理學家。 他的才華，讓楊振寧想起唐朝詩人高適的詩： “靈性出萬象，風骨超常倫”。 說讀他的文章讀起來很通順，就像“秋水文章不染塵”，沒有任何渣滓，直達深處，直達宇宙的奧秘。 他的創(chuàng)見，讓丁肇中戲稱： “一個天才和一個神經(jīng)不正常的人的距離是很小的。”他就是保羅狄拉克（Paul Dirac） 第50頁，共85頁。51 狄拉克的杰出成就之一是，他把20世紀物理學的兩項偉大成就相對論和量子力學結合起來，他寫出一個相對論性

25、的量子力學方程，叫狄拉克方程。開創(chuàng)了相對論量子力學，時年26歲。在相對論和量子力學里，質量是以平方項的形式出現(xiàn)的。M 2可以表示mm，也可以表示為(m)(m)。這也許不會引起普通人的注意，但狄拉克沒有放過它，他問m 有物理上的意義嗎？（前面丁肇中開玩笑的話就是由此而來）反粒子的概念 狄拉克第51頁，共85頁。52 海森堡是20世紀另一位大物理學家。在他1925年發(fā)表的文章中給出了方程，引導出了量子力學的發(fā)展，開創(chuàng)了一個模糊前進的方向。因為當時物理學正進入一個非常時代：牛頓力學的基礎發(fā)生了動搖，“有許多關鍵性的實驗和大膽的決策，有許多錯誤的嘗試和不成熟的假設”,“對于那些參加者，那是一個創(chuàng)新的時

26、代，自宇宙結構的新認識中，他們得到了激奮，也嘗到了恐懼?！焙Ｉふ窃谀莻€霧中摸索，摸到了前進方向，這也導致了他的文章有一個共同特點：朦朧、不清晰、有渣滓。與狄拉克的文章風格形成鮮明對比。但當你讀他的文章時，會為他的獨創(chuàng)力所驚嘆，盡管它讓你覺得問題還沒有做完，還要發(fā)展下去。 第52頁，共85頁。53 海森堡和狄拉克的風格之所以如此不同，關鍵在于他們所專注的物理學內(nèi)涵不同，注意的方向不同。狄拉克的靈感來自他對數(shù)學美的直覺欣賞；海森堡的靈感則來自他對實驗結果和唯象理論的認識。 “粒子的位置測定得越精確，它的動量就知道得越不精確，反之亦然?！?海森堡，1927年不確定關系 海森堡第53頁，共85頁。

27、54 比上帝還挑剔的人 泡利提出了著名的泡利不相容原理：一個原子中任何兩個軌道電子的4個量子數(shù)不能完全相同。 泡利第54頁，共85頁。55 不相容原理并沒有立刻呈現(xiàn)出它的價值，可是泡利的才華卻因此而得到社會的承認。他還以科學的預見預言了中微子的存在，獲得普朗克獎章。直到泡利提出不相容理論20年后的1945年，這個理論的正確性和它產(chǎn)生的廣泛深遠的影響才得以確認。不相容原理被稱為量子力學的主要支柱之一，是自然界的基本定律，它使得當時所知的許多有關原子結構的知識變得條理化。人們可以利用泡利引入的第四個、表示電子自旋的量子數(shù)，把各種元素的電子按殼層和支殼層排列起來，并根據(jù)元素性質主要取決于最外層的電子

28、數(shù)（價電子數(shù)）這一理論，對門捷列夫元素周期律給以科學的解釋。第55頁，共85頁。56勢壘穿透（隧道效應） 能量為E的粒子從左向右運動, 能透射過能量為的勢壘嗎？一些量子效應第56頁，共85頁。57第57頁，共85頁。58量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如，在制造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在025微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應制成的新一代器件。 第58頁

29、，共85頁。量子反常霍爾效應59霍爾效應是電磁效應的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導電機制時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應。這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。第59頁，共85頁。日常生活中常用的很多電子器件都來自霍爾效應，僅汽車上廣泛應用的霍爾器件就包括：信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉速及曲軸角度傳感器等。60第60頁，共85頁。量子霍爾效應在霍爾效應發(fā)現(xiàn)約10

30、0年后，德國物理學家克利青1980(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發(fā)現(xiàn)了.61它是一種典型的宏觀量子效應，第61頁，共85頁。62現(xiàn)象1.霍爾電導率 出現(xiàn)與電子密度n無關的一定平臺2.一定的平臺是物理常數(shù)e2/h整數(shù)倍 意義1.半導體器件可以作為標準電阻2.精確測定 e2/hc的值，從而測定精細結構常數(shù)第62頁，共85頁。金屬或半導體中的電子本來做無規(guī)則熱運動。量子霍爾效應相當于定義一個規(guī)則：電子在運動過程中要按照規(guī)則朝前走，這樣的直接結果就是實現(xiàn)了非常低的能耗。人們有可能利用量子霍爾效應發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學器件，這將克服電腦

31、的發(fā)熱和能量耗散問題。然而，普通量子霍爾效應的產(chǎn)生需要用到非常強的磁場，因此應用起來將非常昂貴和困難。63第63頁，共85頁。64反?；魻栃?880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應時發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應，這種零磁場中的霍爾效應就是反常霍爾效應。反常霍爾效應與普通的霍爾效應在本質上完全不同，因為這里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運動軌道偏轉。反?；魻栯妼怯捎诓牧媳旧淼淖园l(fā)磁化而產(chǎn)生的。第64頁，共85頁。2013年4月10日清華大學和中國科學院物理研究所在北京聯(lián)合宣布：由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤領銜，清華大學物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實驗團隊最近取

32、得重大科研突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃?。65第65頁，共85頁。量子霍耳效應和反常霍爾效應針對的是磁場對晶體管這類電子元件產(chǎn)生的熱研究出來的解決辦法，就是給電子的無規(guī)則運動軌跡套上個籠頭，這個籠頭就是外加磁場或者自身磁場，前者的優(yōu)點是解決起來方便，但是不能小型化實用化，可以專用。后者是自己產(chǎn)生磁場，不需要外加磁場，缺點是自身磁材料貴，目前來說也沒有進入高溫化、實用化，但前景可人！66第66頁，共85頁。霍爾效應和超導效應霍爾效應就是給電子一條路，讓后面的電子在比較空曠的空間里面前進，不和其它電子碰撞從而損失能量產(chǎn)生熱；超導是材料在低溫的時候電子庫伯對的

33、波粒二象性的波動性使得電子對的流動繞過晶格障礙，本質上來說一個是使得電子在導體里面集中從而使得后面電子無障礙無碰撞。不產(chǎn)生電阻。霍爾效應有電阻不產(chǎn)生熱量或者熱量少，超導是沒有電阻了67第67頁，共85頁。反常霍爾效應：不加外磁場也可以觀測到霍爾效應。量子霍爾效應：霍爾效應的量子力學版本。量子反?；魻栃毫愦艌鲋袑崿F(xiàn)量子霍爾效應。68第68頁，共85頁。69量子跳變（量子信息論）1）. 量子跳變: 電子在打到屏幕之前是擴展的, 用場表示.但是一旦這個粒子實際打到屏幕上, 場就突然在撞擊點”局域化” 。因此,它的場在一瞬間發(fā)生跳變。第69頁，共85頁。70量子跳變能影響很大的區(qū)域。例如: 來自任

34、何一顆遙遠的星星的每個光子的場, 在它到達地球之前, 散布的距離長達許多千米。盡管這個場的尺寸很大, 它還是在光子打中一個探測器的瞬刻就收縮為一點。 第70頁，共85頁。71 ）曼德爾的實驗粒子走哪條路？ 1991年曼德爾及其同事對量子理論預言探測器對遠處事件的效應進行了實驗路徑1A路徑A2A源(a)(b)探測器路徑路徑B 路 2徑 B 路徑1B 屏幕 一個粒子發(fā)生的任何事情都會影響到這個兩粒子系統(tǒng)的場, 從而影響到另一個粒子。第71頁，共85頁。EPR悖論A.愛因斯坦、B.波多爾斯基和N.羅森1935年為論證量子力學的不完備性而提出的一個悖論。又稱 EPR論證。這一悖論涉及到如何理解微觀物理

35、實在的問題。 愛因斯坦等人認為，如果一個物理理論對物理實在的描述是完備的，那么物理實在的每個要素都必須在其中有它的對應量，即完備性判據(jù)。當我們不對體系進行任何干擾，卻能確定地預言某個物理量的值時，必定存在著一個物理實在的要素對應于這個物理量，即實在性判據(jù)。72第72頁，共85頁。他們從量子力學基本原理出發(fā)，指出在多粒子量子系統(tǒng)中，存在一種奇特的關聯(lián)，這種關聯(lián)無法通過粒子的共同歷史、經(jīng)典通信和相互作用等常見的因果關系來解釋，于是他們稱這種關聯(lián)為“幽靈式超距作用”（spooky action at a distance）。這個所謂的“幽靈式超距作用”就是當下為人熟知的量子糾纏。73第73頁，共85

36、頁。面對愛因斯坦等人的反駁，玻爾對EPR實在性判據(jù)中關于“不對體系進行任何干擾”的說法提出了異議，認為“測量程序對于問題中的物理量賴以確定的條件有著根本的影響，必須把這些條件看成是可以明確應用物理實在這個詞的任何現(xiàn)象中的一個固有要素，所以EPR實驗的結論就顯得不正確了”。玻爾以測量儀器與客體實在的不可分性為理由，否定了EPR論證的前提物理實在的認識論判據(jù)，從而否定了EPR實驗的悖論性質。74第74頁，共85頁。EPR佯謬的提出迄今已經(jīng)七十多年，量子糾纏已經(jīng)廣泛應用于量子力學基礎檢驗、量子保密通信、量子計算和量子精密測量等各個領域，然而量子糾纏關聯(lián)塌縮的速度到底是多少這一問題仍然沒有得到解決。7

37、5第75頁，共85頁。最近，由中國科學技術大學潘建偉院士領銜的自由空間量子通信團隊的彭承志、張強研究小組，在國際上首次成功實現(xiàn)了無局域性漏洞的量子糾纏關聯(lián)塌縮速度下限測量，結果表明在所有相對地球以千分之一光速或更低速度運行慣性參照系中，量子糾纏關聯(lián)塌縮速度下限為光速的一萬倍。該研究成果發(fā)表在近日出版的物理評論快報（Phys. Rev. Lett. 110, 260407 (2013)）上。76第76頁，共85頁。彭承志解釋“在經(jīng)典狀態(tài)下，一個個獨立的光子各自攜帶信息，通過發(fā)送和接收裝置進行信息傳遞。但是在量子狀態(tài)下，兩個糾纏的光子互為一組，互相關聯(lián)，并且可以在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間神秘出現(xiàn)。量子態(tài)隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對攜帶著信息的糾纏的光子進行拆分，將其中一個光子發(fā)送到特定位置，這時，兩地之間只需要知道其中一個光子的即時狀態(tài)，就能準確推測另外一個光子的狀態(tài)，從而實現(xiàn)類似超時空穿越的通信方式。” 77第77頁，共85頁。78三量子論的宇宙觀 1. 量子理論的不確定性特點: